摘要：文章介绍了除具有基本视频监控及开关量自动报警功能外，还实现了报警信息短信群发和多报警多任务缓存处理、USB读写、专用处理板远程图像传输及远程操作的多功能安防系统设计。系统由主控芯片和副控芯片及外围电路组成，主控与副控之间通过并口进行数据交换；其中主控部分完成对报警信号处理，控制面板操作处理、与专用处理板的互通。副芯片部分完成控制云台动作，发送报警短信，执行USB读写等功能。系统强大的功能，智能化的设计，相对目前市场上同类产品具有明显的优势，可广泛应用于高要求的远程无人值守安防监控场合。
关键词： 视频监控系统；自动报警；短信群发；USB
中图分类号：TP273       文献标识码： A

Abstract ：This article introduced a kind of multi-functional auto-alarm system，which not only have the basic video frequency function and switch quantity auto-alarm function, but also can implement short alarm message group-sending , multi-task and multi-alarm buffer processing, USB read-write, image transmission and remote operation of the special processing board. The system consists of main chip, vice chip and peripheral circuit. The data exchanges between the main chip and the vice chip by parallel interface. The function of the main chip includes alarm signals processing, the control panel operation and the communication with the special processing board. The function of the vice-chip includes tripod motion control, short alarm message service, USB read-write, etc. Compared to the similar products in the present market, this system has obvious superiority in strong function and intellectualized design，it can be broadly applied in high-quality remote unattended auto-alarm surveillance.
Key words: Video supervisory system; Auto-alarm; Multi-SMS sending; USB
 

一、 系统设计概述及硬件模块设计

    随着技术的发展，简单的摄像头接显示器监控方式已经不能满足高等级监控的要求。本文介绍的视频安防控制系统，不但具备普通视频安防产品最基本的视频监控，自动报警功能（能够兼容开路报警和闭路报警两种报警信号输入方式），同时还实现了报警短信群发，报警信息自动存储，多路报警缓存，报警数据USB存取，与上位机远程图像传输及远程监控等功能，弥补了传统产品的不足，该视频安防监控系统功能强大，性能优异，可以满足军事、无人值守自动气象站等高标准的应用要求。

    图1为安防控制系统现场机硬件结构框图，系统含视频信号选择处理、控制面板、系统控制、信号报警处理四大部分。由两片STC89C58RD+单片机为控制核心，负责系统各种功能的实现；该单片机不仅程序存储容量大（32k），具有1K的RAM空间，而且可以利用串口下载程序，便于以后在线升级。

    其中主控芯片负责实现以下几个功能：检测副控与专用处理板工作状态，协调管理系统的工作；检测报警输入并实现报警控制输出以及报警信息处理；DS1302时钟芯片的管理，获取时间并在控制面板数码管上显示时间，以及自动更正时间；管理手机号码，控制面板人机界面的处理；与专用处理板和副控芯片进行报警等信息的收发处理；利用EEPROM存储报警数据实现报警信息自动存储（做多6千条），多任务多报警缓存；负责开机自检等功能。 

    副控芯片主要负责USB检测和读写功能，执行来自主控芯片命令和接收数据，利用GSM模块群发短信；以及依据Percol协议解析发送指令，控制云台的动作。除此之外，副控芯片还要负责在开机时自动获取不同地区短信中心号码，确定GSM模块工作状态和通讯网络状态，适应不同地区的应用要求；在发生报警时，如果启用了发送短信功能，主控芯片会发送报警信息到副控芯片，而副控芯片会将报警信息数据整合成符合短信格式的数据包，发送到GSM模块。而当值班人员解除报警后，副控芯片也可选择发送短信告知远程监控中心，提示现场报警已经解除处理。

    视频安防控制部分可监控8路输入视频信号，分别经MAX4090进行抗干扰处理及阻抗匹配后，一方面产生四路视频输出，供安防人员查看安防现场活动图像；另一方面传输到系统视频信号选择电路；经八选一信号自动切换选择，在公共视频端输出一路视频信号，通过视频专用处理板对其进行数字化压缩处理存储（自带移动硬盘），并按要求通过网络传输视频信息。视频处理电路设计使用交流耦合输出方式，接收电路在输入端建立共模电平，该电平独立于输入视频信号的直流电平；设计中75Ω的串联电阻尽可能近地靠近输出端，隔离从输出端产生的下行寄生干扰，提供最佳的信号。

    视频信号专用处理板实现现场视频信号数字化处理以及远程网络传输、对来自远程监控计算机命令的接收及应答处理、和安防控制系统的数据交换处理等；该处理板为外购成品板，由于篇幅限制，设计中涉及的远程上位机软件设计及专用处理板的应用开发在此不作介绍，文章重点介绍基于单片机的安防控制系统本体的设计。 
 


 

    系统工作时实时接收处理视频信号，报警输入电路实时监测前端报警信息，当有开关量报警触发时，主控芯片做出响应，并通过副控向GSM模块发送短信息，通知安防值班管理人员。在系统显示面板及上位机监控中心，安防人员可以设置安防系统的工作环境，如手机号码设置、开机默认视频源设置、报警输出控制设置等。在长时间无人值守的安防控制系统平台中，需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间，设计中选择DS1302作为系统工作时钟芯片。

二、硬件设计几个关键问题的处理

2.1  报警检测电路的设计

    报警信号输入电路设计是本系统的关键之一，要求带光电隔离，以有效去除干扰信号，提高系统的防雷等级及可靠性；能够兼容开路报警和闭路报警方式；带有自检功能，当出现剪断或短路报警输入信号线路的破坏时，能自动报警。本设计的前端报警检测电路设计精巧，结构灵活，能够达到以上要求；如同时兼容开路报警和闭路报警，解决了同类设备均需要区分监控设备报警方式，调整设备安装设置的麻烦；具有很高推广价值和先进性。

    图2为前端电路图，其中A端为信号测试端，B点为外接报警线路输入端，C点为报警信号到单片机的数字输入端，接至主控芯片的P2口，TLP421-2为双光耦，二组光耦输入的上半部光电二极管正端及下半部光电二极管负端接6V，以兼容不同形态的输入方式，双光耦的输出OC门并联，只要任意一组导通，C端将出现低电平，向单片机发出报警信号，其中二极管D2、D3的作用是提高双光耦输入端的导通门槛，提高输入电路的抗干扰能力，避免因器件差异性等原因造成的误报警。下面针对电路设计兼容的自检、常开、常闭、防破坏四种方式进行介绍（只介绍单输入回路）。
 


 

A、自检电路

    当设计测试端A点有+12V电压时，双光耦TLP421的下半部光耦导通，使C端出现低电平。具体运用时系统每次开机都会有一次自检的过程，进行对各个报警点输入输出电路的测试，测试首先程控三极管开关电路向A端提供12V电源，模拟外界报警输入，以便检测各报警检测电路及信号处理是否正常。如图2所示，当测试端A点有较高电压（12V）大于下半部光耦输入负端电压+6V时，二极管D1、D2导通，产生经过下半部光耦的电流；此时双光耦的下半部输入光电二极管导通发光，对应下半部光耦输出OC门导通，接I/O口的C端呈现低电平，单片机认为该点产生了报警并进行处理，检测正常；反之自检通不过，系统发出自检故障报警。

B、常开电路

    在现场报警接点常开情况下（如图3），安装时报警检测开关与R3并联后连接至B端。开关断开时，电阻R1与R3分压（R1= R3），B点的电压约为6V，由于双光耦一端接到+6V电压上，二个光耦输入光电二极管两端电压相近，光耦不导通，C端输出高电平，系统无报警信号。报警发生开关闭合时，R3被短路，B端出现低电平0V，6V电压经双光耦的上半部分、二极管D3及R2到地导通，C端出现低电平，系统发出报警信号。

 

 

C、常闭电路

    在现场报警接点常闭情况下（如图4），安装时报警检测开关与R3串联后连接至B端，在正常情况下，B端通过R3及外接报警检测点到地形成回路，R1和R3分压（R1= R3），此时B端电压约为+6V，B端电压与二个输入光电二极管一端电压相近，双光耦处于截止状态，不发生作用，C端为高电平，系统无报警信号。报警发生时，报警开关断开，B端出现高电平大于+6V，输入光耦下半部负端接到+6V电压上；12V电压经电阻R1、R2、二极管D2及双光耦的下半部分到6V电源形成电流回路；双光耦的下半部分导通，C端出现低电平，系统发出报警信号。

 

 

D、线路破坏监测

    从以上介绍的报警输入电路中可以看出，正常无报警情况下，B端电压约为+6V（不管是针对常开或常闭电路），当发生外部设备被盗窃、割断或者断路破坏时， B端对地开路，B端的电压大于光耦下半部负端电压+6V，此时12V经R1、R2、D2、双光耦的下半部分到地导通形成回路，下半部光耦导通，C端呈现低电平，单片机认为该点产生报警,并做出相应的报警提示。

    当外部设备被短接到地破坏时（R3装在开关内也被短路），B端电压为零，B端的电压小于上半部光耦正端电压+6V，此时有电流通过上半部光耦经D3、R2到地形成回路， 上半部光耦工作，C端呈现低电平，单片机认为该点产生报警，并做出相应的报警提示。

2．2 存储器、串口的共享复用及系统人机界面设计

    在图5中，系统设计扩展了两片AT24C256 EEPROM芯片，存储容量为32K，存储器内容可以电擦除，反复使用，实现系统运行数据存储及掉电保护；主控芯片和副控芯片共享EEPROM，减少了数据传输量，提高了工作效率，间接解决了主控芯片和副控芯片之间存在大量数据交换缓冲的问题。两片单片机通过I/O口模拟I2C总线与两片AT24C256相连接，都可以对EEPROM芯片进行读写；复用EEPROM芯片，共享系统运行及历史报警信息；但如果两个芯片同时读写EEPROM芯片，单片机会产生死机现象，因此需要由主控芯片配合握手信号进行协调，保证不会出现两片单片机同时读或者写EEPROM芯片的情况出现。

 

 

    系统设计时为解决控制CPU的I/O口不足的问题，在控制面板设计中选择了专用的ZLG7290键盘及LED 驱动芯片，它可以驱动8 位共阴数码管（或64 只独立LED ）灯）和64 个按键。图6中ZLG7290通过四根I/O口与主控芯片相连接，作为人机界面的主控芯片，具有数码管动态显示、按键实时监测中断触发功能，实现系统现场的手动控制操作，显示当前时间、系统运行状况、报警点状态、短信模块工作状态、USB接口状态信息、人机互动信息等。在系统工作时，不仅可以通过专用处理板对系统工作环境进行设置，对视频设备进行操作控制，而且可以利用下位机的按键操作面板相似的操作，如报警视频源设置、报警超时设置、手机号码设置、云台控制等。

 

 

    系统设计中要用到多个串口，为解决串口的不足，采用二种分时复用方式，分别为手动跳线复用和采用CD4052自动切换复用。二片CPU不仅要为以后的产品升级留出下载程序接口，同时要为相关外围电路提供串口。其中主控芯片要与专用处理板通讯；副控芯片不但要通过RS232串口发送AT指令和数据到GSM模块，还要通过串口经MAX485转换发送云台控制指令。手动跳线复用主要是由于更新下载程序时，系统控制CPU处于相当于裸机的状态，无法通过4052进行程控切换，二片CPU都采用手动跳线的方式来解决串口下载转换问题（只在产品出厂及现场升级时需要）。程序运行过程中，由于数据发送是由内部程序分时进行的，二片CPU都采用CD4052根据需要自动切换到相应的端口，实现串口分时复用。

2．3  USB接口的设计

    带USB接口的设备使用方便，性价比高，在本系统中用于下载重要的历史报警记录数据（保存在EEPROM中），以方便安防工作人员查阅分析，设计采用CH375B芯片作为USB接口控制芯片（见图7）。CH375B 是一个USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE设备方式。在本地端，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机的系统总线上；在USB主机方式下， CH375还提供了串行通讯方式，通过串行输入、串行输出和中断输出与单片机相连接。在本系统中，CH375芯片是通过并行方式连接到副控芯片的，CH375的TXD引脚通过1KΩ电阻接地，从而使CH375工作于并口方式；这种连接方式极大地提高了数据传输速率及使用可靠性。

 

 

2.4 副控芯片与主控芯片之间的通讯

    在本系统中使用了两片单片机，以解决工作实时性要求以及I/O口资源不足的问题。由于主控和副控芯片串口被外围设备占用，所以主控与副控芯片的通讯采用普通I/O口并行连接，即主控芯片的P0口与副控芯片的P2口相连接，另外，主控芯片INT1中断口连接到副控芯片的INT1，作为数据传输联络信号，提高了数据传送速率。

    副控芯片与主控芯片之间主要传输的数据是报警信息和云台操作命令及二者的联络信号。主控芯片控制着整个系统的运行和协调，当有报警情况发生时，主控芯片自动记录报警信息，执行设定的报警输出等，并且把报警信息发送到副控芯片，以便将报警信息整合成短信格式发送到设定的手机号码上。当有控制面板或者来自网络远程操作命令（经专用处理板接收转发）操作云台时，主控芯片会将接收到的命令发送到副控芯片，副控芯片根据收到的数据解析出Percol指令，控制云台动作。

    当有移动存储工具（U盘）接入时，有大量的数据将被发送到USB移动存储外设，如果这时主控芯片对EEPROM进行操作，将对USB拷贝进程产生影响，考虑到将报警信息全部拷贝到U盘中所用的时间非常短，在副控进行USB拷贝时，设计中主控芯片暂时不允许对EEPROM进行操作，直到USB拷贝完毕。

2.5  现场报警控制电路设计

    在电路中设计了由开关三极管及继电器构成三组开关接点信号输出，并由主控单片机的I/O口控制，通过工作设置完成相应的功能，三个控制接点作用如下：一个与面板蜂鸣器相连接，一旦有报警信号产生或面板操作需要提示时，在主控芯片作用下控制面板上蜂鸣器发出报警声，提示操作人员注意；另一个与外部警笛、警灯设备相连接，有报警情况时，控制警笛、警灯发出报警；最后一个和外部照明灯相连接，控制安防场所灯光照明，以便摄像头能更好地工作及方便安防人员巡逻安防场所，也可以设置为有报警情况时打开照明。

三、系统软件设计

3.1 主控芯片软件设计

    主控制芯片是整个系统的控制核心，负责整个系统的运行和各模块间的协调，副控芯片是整个系统的执行器，负责对主控制芯片发出的命令进行解析和执行。主控芯片的程序流程图见图8，软件功能大致分为三个方面：

    报警信息处理，主芯片必须循环检测报警输入口有无报警信号，如果有则立即执行设定的报警输出，同时将报警信息按照规定的格式进行整合后自动存储，另外，主控芯片还将整合好的报警信息实时发送到专用处理板（通过网络转发到上位机）和副控芯片。同时还要接收专用处理板下转的远程操作命令。

    控制面板处理，主芯片通过中断接受控制面板上ZLG7290捕获的按键值，根据按键值执行相应的处理，另外控制面板上还有4位数码管显示当前时间、特定操作响应信息、以及8通道报警的状态指示灯；对显示数据实时刷新。

    与副控芯片互动，主要传输报警信息和云台操作命令，以及握手协议；主芯片会在以下三种情况时与副控芯片进行通讯，一是当控制面板或者上位机操作云台时，主芯片会将接收到的数据（即云台操作命令）发送到副控芯片，副芯片会根据收到的数据解析出指令然后执行。二是当有报警发生且短信功能开启时，主芯片会把整合好的报警信息发送到副控芯片，以便副控芯片将报警信息整合成适合短信格式的字符串包通过GSM设备发送到手机。三是有USB接入时，会从EEPROM读取相关数据写入U盘，如果这期间主控芯片对EEPROM进行操作的话，会对USB操作产生影响；另外,即使将所有的报警信息全部拷贝到U盘，也用不了1秒钟，所以在进行USB拷贝操作时，副控芯片独占E2PROM芯片，直到USB拷贝完毕；在此期间主控芯片须进行副控芯片的忙状态检测。
 


 

    除此之外，主程序还必须能够实现多任务缓存，自动提取处理尚未执行的任务，各种操作的超时退出，自动更正时间等功能。多任务缓存及提取牵涉的变量比较多，当发生报警时，主控制芯片自动记录报警信息，执行设定的报警输出。对于GSM模块来说，发送一条短信大概需要一定时间，如果要发送多条短信，则GSM模块需要更多的时间。在这期间如果又发生了报警，主芯片将新的报警信息发送到副控芯片，副控芯片之前的报警信息会被新的报警信息覆盖掉，造成报警信息丢失或错位。当副控芯片处于忙状态时，主控制芯片应及时进行忙状态的检测，了解副控芯片的状态，排队存储避免数据的丢失。另外，当副控芯片处于空闲状态时，主控芯片应该自动找出未处理的报警信息发送到副控芯片，即任务提取功能。因此，一个完整准确的报警信息处理程序应该和多任务缓存以及提取组成一个相互关联的过程。

3.2 副控芯片软件设计

    副控芯片的程序流程见图9。副控芯片要负责在开机时获取短信中心号码（不同用户地区号码不同），确定GSM模块工作状态和通讯网络状况监测。在开机自检完毕后，定时监测GSM模块的工作状态，负责与短信中心的相关收发工作。同时副控芯片实时接收来自主控芯片数据，根据来自主控芯片命令执行相应的动作；向主控芯片发送本机工作状态信息，利用GSM模块群发短信；解析重组云台操作命令，依据Percol协议发送控制云台的动作。检测USB的插入状态，管理外插USB设备文件系统，向USB设备发送历史报警存储信息，向主控CPU发送工作忙闲信息。

 

 

四、结束语

    文章介绍的安防视频控制系统，具有功能强大，稳定性高，操作便捷，升级方便，系统工作情况稳定，成本适中等优点，在视频安防控制领域具有很好的实用推广价值，已在贵州气象局及四川遂宁气象局布网的无人值守气象站得到应用，使用效果良好。设计创新点在于报警信号输入电路设计精巧合理，达到光电隔离、兼容开路报警和闭路报警方式、输入信号线路破坏自动监测的效果；同时监控图像的网络传输以及网络远程监控；报警信息的无线短信群发和历史数据的多任务缓存处理、支持USB移动存储设备等也是本设计突出优点，可满足军事、气象等高等级安防应用场合的要求。